高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法及系统

本发明涉及断层带识别，具体为高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法及系统。

背景技术：

1、常规隧道支护方案多基于中低地应力条件下硬岩或中硬岩的工程经验，采用锚杆、钢拱架与喷射混凝土的组合形式，通过围岩分级确定支护参数，然而，深埋软岩具有岩性软弱、强度低、自稳能力差的固有特征，叠加高地应力环境后，围岩开挖响应呈现出强流变、大变形和非线性等复杂力学行为，需通过预测隧道大变形以确定支护参数。

2、在隧道施工地质探测与变形管控方面，现有掌子面超前地质预报技术可对前方断层等不良地质体进行预判，隧道侧壁也布设了收敛监测、应力监测等常规监测设备，用于掌握支护结构的实时工作状态。

3、然而在高含水、强破碎的软岩地层中，弹性波类、电磁波类物探方法存在能量衰减快、地质体边界识别精度不足的问题，对断层核的精确位置与走向往往需掘进至较近距离才能有效判识，超前预警的精细度不足，而断层影响带内的软岩具有显著的时效蠕变特性，围岩变形并非开挖后短期内趋于稳定，而是会随地应力持续释放、水岩作用导致围岩强度逐步劣化而长期发展；现有针对支护变形的时效计算方法多仅考虑岩体自身的蠕变特性，未充分纳入断层带引发的应力集中效应的影响，导致对支护长期变形的预估存在偏差，易出现支护变形量超出安全控制标准的情况。

4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法，具体步骤包括：

4、步骤1：沿隧道轴向获取若干断层核样本的走向并据此确定所属角度区间，计算各断层核样本至隧道侧壁的垂直距离，依据预设垂直距离区间分别划分各断层核样本沿隧道轴向的第一距离段，并在各第一距离段按等间距、固定数量布设钻孔点；

5、步骤2：依据断层走向确定各钻孔位置并固定钻进方向，并基于取芯结果确定各钻孔点的结构面发育密度，依据所有钻孔点的结构面发育密度确定结构面密度核算区间；

6、步骤3：依据断层核样本至隧道侧壁的垂直距离、结构面发育密度数据，采用幂函数衰减公式，分别拟合含水、无水工况下在各角度区间的结构面衰减函数；

7、步骤4：掘进阶段将裂隙的倾向、倾角、迹长输入至训练完成的二分类模型筛选断层构造主控裂隙区，并在主控裂隙区垂直隧道轴向布置验证钻孔点并获取结构面发育密度实测值；

8、步骤5：若测定的结构面发育密度落入结构面密度核算区间，则在主控裂隙区布设实测钻孔点，依据实测钻孔点的结构面发育密度、含水工况，结合各角度区间的结构面衰减函数反演断层走向与垂直距离，结合历史变形速率开展风险评估与支护判别，变形超阈值时推送预警，完成软岩隧道大变形闭环动态控制。

9、进一步地，依据预设垂直距离区间分别划分各断层核样本沿隧道轴向的第一距离段的方法为：

10、预设断层核沿其法向方向至隧道侧壁的垂直距离区间，针对任一断层核样本，获取其走向与隧道中心轴线在水平投影面上的夹角，记为走向夹角，结合所述走向夹角，分别确定垂直距离区间两个边界对应的断层核位置，并将两个断层核位置转换至隧道轴向，以两个对应轴向位置之间形成的范围作为该断层核样本对应的第一距离段。

11、进一步地，依据断层走向确定各钻孔位置并固定钻进方向的方法为：

12、针对任一断层核样本，在其对应第一距离段内按照预设固定数量和等间距确定各钻孔点沿隧道轴向的位置，各钻孔均采用水平钻进方式，以水平投影面内垂直于隧道轴向且指向围岩内部的方向作为固定钻进方向进行钻进取芯，以获取对应位置的围岩芯样。

13、进一步地，基于取芯结果确定各钻孔点的结构面发育密度的方法为：

14、沿钻孔深度方向按照预设固定岩芯段长度对取得的岩芯连续划分为若干岩芯统计段，并分别统计各岩芯统计段内的有效结构面数量，将有效结构面数量与固定岩芯段长度的比值作为对应岩芯统计段的结构面发育密度，同时记录各岩芯统计段中点至钻孔孔口的距离，并将其作为对应岩芯统计段的中点钻孔深度。

15、进一步地，分别拟合含水、无水工况下在各角度区间的结构面衰减函数的方法为：

16、将各已知断层核样本对应的岩芯统计段按照含水工况、无水工况以及所属角度区间进行分组，获取各岩芯统计段的结构面发育密度、对应钻孔孔口至断层核的垂直距离以及中点钻孔深度，所述垂直距离为钻孔孔口沿断层核法向方向至断层核的距离；

17、依据已知断层走向与固定钻进方向确定对应的法向夹角参数，结合中点钻孔深度确定岩芯统计段相对于钻孔孔口的法向投影距离，并以钻孔孔口对应的垂直距离减去法向投影距离，得到对应岩芯统计段至断层核的剩余距离，并将剩余距离大于零的岩芯统计段确定为有效岩芯统计段；

18、针对含水工况和无水工况下的各角度区间，以对应有效岩芯统计段的剩余距离为自变量、结构面发育密度为因变量建立幂函数型结构面衰减关系，采用非线性最小二乘法分别确定尺度参数和衰减指数，得到含水、无水工况下各角度区间对应的结构面衰减函数。

19、进一步地，依据所有钻孔点的结构面发育密度确定结构面密度核算区间的方法为：

20、将各已知断层核样本对应钻孔的首个岩芯统计段的结构面发育密度进行汇总，构建结构面发育密度样本集；所述首个岩芯统计段为自钻孔孔口起按照预设固定岩芯段长度划分得到的第一个岩芯统计段；计算所述结构面发育密度样本集的密度平均值和密度标准差，并依据密度平均值及密度标准差划定结构面密度核算区间。

21、进一步地，依据实测钻孔点的结构面发育密度、含水工况，结合各角度区间的结构面衰减函数反演断层走向与垂直距离的方法为：

22、在主控裂隙区内设置至少两个实测钻孔，各实测钻孔均采用与结构面衰减函数拟合阶段相同的水平钻进方式和固定钻进方向，且至少两个实测钻孔的孔口沿隧道轴向错开布置，将其中一个实测钻孔的孔口位置作为参考位置，将参考位置至待求断层核的垂直距离以及待求断层走向作为待求参数；

23、调整断层走向以及参考位置至断层核的垂直距离；根据当前断层走向确定所属角度区间，并结合各实测钻孔孔口相对于参考位置的已知空间位置，分别确定各实测钻孔孔口至断层核的垂直距离；根据当前断层走向与固定钻进方向确定法向夹角参数，结合各岩芯统计段的中点钻孔深度计算对应岩芯统计段至断层核的剩余距离，将剩余距离大于零的岩芯统计段确定为有效岩芯统计段，并根据各有效岩芯统计段的含水工况及所属角度区间调用对应的结构面衰减函数，得到各有效岩芯统计段的结构面发育密度预测值；

24、以所有实测钻孔各有效岩芯统计段的结构面发育密度预测值与实测值之间的残差平方和最小为目标，持续调整断层走向以及参考位置至断层核的垂直距离，确定最终的断层走向以及参考位置至断层核的垂直距离。

25、进一步地，结合同条件历史数据的围岩变形速率，判断当前支护方案是否需要告警的方法为：

26、根据反演得到的当前待评估断面对应断层核至隧道侧壁的垂直距离以及断层走向，从历史数据中提取历史断面记录，并计算各历史断面对应断层核至隧道侧壁的垂直距离与当前垂直距离之间的距离差值，以及各历史断面对应断层走向与隧道轴向之间的走向夹角和当前断层走向与隧道轴向之间的走向夹角的角度差值，将距离差值不大于预设距离匹配阈值且角度差值不大于预设角度匹配阈值的历史断面确定为同条件历史断面，其中，每一历史断面记录包括对应断面的支护刚度以及初期支护完成后至二次衬砌施作前采集的围岩变形速率时序数据；

27、针对各同条件历史断面，将围岩变形速率时序数据中的最大变形速率与预设安全阈值进行比较，将最大变形速率超过预设安全阈值的历史断面确定为历史大变形风险断面，并提取各历史大变形风险断面实际采用的支护刚度，将其中最大的支护刚度确定为风险支护刚度阈值；

28、将当前待评估断面对应支护方案的支护刚度与所述风险支护刚度阈值进行比较，若当前支护刚度小于等于风险支护刚度阈值时，判定当前支护方案存在围岩大变形风险并推送支护预警，提高当前待评估断面的支护刚度，直至调整后的支护刚度大于所述风险支护刚度阈值；若当前支护刚度大于风险支护刚度阈值时，保持当前支护方案并持续获取对应断面的围岩变形速率；

29、在当前待评估断面完成支护后，将实时采集的围岩变形速率与预设安全阈值进行比较，当围岩变形速率超过预设安全阈值时推送支护预警，并提高当前支护方案的支护刚度，直至后续采集的围岩变形速率不高于预设安全阈值；在对应断面完成初期支护至二次衬砌施作阶段的变形监测后，将该断面反演得到的断层核至隧道侧壁垂直距离、断层走向、实际采用的支护刚度以及对应的围岩变形速率时序数据补充至历史数据中，以用于后续相同工况下的支护风险评估与支护判别。

30、另外还提供高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制系统，所述系统用于执行上述任一项所述的高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法，包括：

31、参考数据模块，用于沿隧道轴向获取若干断层核样本的走向并据此确定所属角度区间，计算各断层核样本至隧道侧壁的垂直距离，依据预设垂直距离区间分别划分各断层核样本沿隧道轴向的第一距离段，并在各第一距离段按等间距、固定数量布设钻孔点；

32、特征计算模块，用于依据断层走向确定各钻孔位置并固定钻进方向，并基于取芯结果确定各钻孔点的结构面发育密度，依据所有钻孔点的结构面发育密度确定结构面密度核算区间；

33、特征提取模块，用于依据断层核样本至隧道侧壁的垂直距离、结构面发育密度数据，采用幂函数衰减公式，分别拟合含水、无水工况下在各角度区间的结构面衰减函数；

34、裂隙分类模块，用于掘进阶段将裂隙的倾向、倾角、迹长输入至训练完成的二分类模型筛选断层构造主控裂隙区，并在主控裂隙区垂直隧道轴向布置验证钻孔点并获取结构面发育密度实测值；

35、断层反演模块，用于若测定的结构面发育密度落入结构面密度核算区间，则在主控裂隙区布设实测钻孔点，依据实测钻孔点的结构面发育密度、含水工况，结合各角度区间的结构面衰减函数反演断层走向与垂直距离，结合历史变形速率开展风险评估与支护判别，变形超阈值时推送预警，完成软岩隧道大变形闭环动态控制。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、本发明在掘进阶段将裂隙的倾向、倾角、迹长输入至训练完成的二分类模型筛选断层构造主控裂隙区，并在获取的结构面发育密度实测值落入结构面密度核算区间时，布设实测钻孔点，依据实测钻孔点的结构面发育密度、含水工况，结合预先拟合的各角度区间的结构面衰减函数，反演断层走向与垂直距离，从而克服了弹性波/电磁波在软岩中衰减快造成的定位盲区，提升断层核空间位置的预警精细度，同时，还通过将反演获得的垂直距离结合历史变形速率开展风险评估与支护判别，并在变形超阈值时推送预警，使支护方案能够根据反演得到的参数及实际变形反馈进行动态调整。